静力触探试验数据管理和计算分析软件设计

李 鹏 黄大中 朱晴晴

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300251)

静力触探是将一定规格和形状的探头按规定的速率贯入土层，测量贯入过程中探头所受阻力的一种原位测试方法，适用于软土、黏性土、粉土、砂类土及含少量碎石的土层，可用来划分土层界面、定名土类、确定地基承载力和单桩极限荷载、判定地基土液化程度及测定地基土的物理力学参数等[1-3]。

静力触探兼具勘探与测试双重功能，且具有测试资料连续、可靠，测试快捷、经济、环保等优点，在岩土工程勘察中得到广泛应用[3-4]。实际工作中，静力触探的应用还存在一些局限性，如不同仪器厂家生产的静力触探设备采用的数据格式不同，内业数据处理过程中需频繁转换数据格式，造成静力触探内业工作效率较低；缺少对静力触探试验成果资料综合分析利用的专业软件，通常仅应用静力触探试验资料划分地层及确定土类，造成静力触探试验资料利用不充分，极大地制约了静力触探技术的应用和推广。因此，为提高静力触探内业工作效率和质量，实现成果资料标准化，研发静力触探试验数据管理和计算分析软件具有重要意义。

1 系统结构设计

静力触探试验数据管理和计算分析系统基于Qt图形界面框架[5]和Access数据库，采用C++语言开发，可对静力触探试验数据进行管理、计算分析及成果资料输出，适用于铁路、工民建、公路及城市轨道交通等领域。

静力触探试验数据管理和计算分析软件由工程管理，静力触探数据管理，静力触探成果应用，静力触探成果文件、照片管理和数据接口等模块组成(如图1所示)。

图1 系统功能模块示意

系统采用Access数据库，其中包括工程项目表、原位试验勘探点表、静力触探勘探点表、地层表和图片索引表等。通过数据库可以实现静力触探试验数据及成果资料的有效管理。

2 软件功能实现

2.1 静力触探工程管理

该模块主要包括新建工程、打开工程、工程信息、项目库管理、关闭工程和退出。

点击相应子菜单后可以弹出相应的对话框，图2为新建工程对话框，输入内容包括：工程编号、工程名称、工点名称、工点类型、线路方案、勘察阶段、起点里程、终点里程、里程冠号及备注，点击“确定”按钮后可生成该项目勘探点项目树。

图2 新建工程对话框

2.2 静力触探试验数据录入及编辑

(1)勘探点基本信息录入

双击项目树中“静力触探”，弹出静力触探勘探点列表(见图3)，在此录入各层静力触探勘探点基本信息，包括触探孔编号、工程名称、工点名称、冠词、里程、偏移量、勘探点坐标、孔口高程、勘探深度、初见水位深度、稳定水位深度、开工日期、竣工日期、仪器型号、探头编号、探头截面积、率定系数、是否参与、备注等。录入的各静力触探勘探点信息会以项目树形式在界面左侧显示。项目树【】中内容代表线性工程的里程，若非线性工程则直接显示静力触探孔号，静力触探孔号后()中数字代表静力触探类型(1为单桥静力触探，2为双桥静力触探，3为多桥静力触探)。

图3 静力触探勘探点列表

(2)静力触探数据录入修改与导出

静力触探数据录入可分为单个勘探点数据录入和多个勘探点批量导入，程序能自动判别理正，港达，溧阳等软件的单桥、双桥和三桥静力触探数据。

①单个勘探点数据录入：双击静力触探勘探点项目树中某一静力触探勘探点，进入该静力触探勘探点测试曲线页面，单击“数据”下“导入数据”，则可弹出导入数据对话框，选择所需要的导入数据。

②多个勘探点批量导入：在“静力触探列表”界面下单击右键，选择批量导入，则可一次性批量导入多个静力触探数据。若静力触探勘探点列表中该勘探点内已有数据，则会提示用户是否替换数据；若静力触探列表中无该勘探点信息，则在静力触探勘探点列表中自动加入该勘探点的相应信息。

第三项工作是内容设计。研究性学习没有统一的研究内容要求，也没有统一的教科书，在内容设计方面要注意依靠学校现有条件，既有利于发展学校办学特色，又有利于教师全面参与，学生全面训练；要注意开发社区教育资源；要具体可行，能注意由易到难，形成序列。不仅耍有学生几年学习的课程内容的总设计，也要有每个学期的内容设计和每个阶段的内容设计。

导入的触探数据可以增加、删除、修改，若修改锥尖阻力或侧摩阻力数值，则摩阻比数值会自动更新。

修改后的静力触探数据可通过点击“保存”命令按钮保存。点击“导出数据”，可将静力触探数据输出为excel数据表形式。

2.3 划分地层和判定土类名称

在某一勘探点“静力触探表”下单击“划分土层和判别土类”标签页，可自动进入“划分土层和判别土类”页面；也可以在测试曲线页面双击成果图中测试曲线，此时程序将自动跳转至“划分土层和判别土类”页面。

采用可视化图形交互界面划分地层，可实现对静力触探曲线的放大、缩小、平移等操作，并提示相应点位的静力触探测试指标值。单击“划分地层”命令按钮，即可进行地层划分，结束时单击“停止划分”，并单击“保存”，即可将地层信息保存至数据库，如图4所示。

图4 划分土层和确定土类名称界面

根据所划分的各地层静力触探特征值，系统依据现行规范[1，6]自动判定各地层土类名称，并可人工修改。

地层页面信息可由“划分土层和判别土类”页面中的地层信息导入，但“地层”页面中地层信息不能反馈到“划分土层和判别土类”页面，各静力触探勘探点地层信息以“地层”页面中信息为准。

2.4 地层页面

地层页面信息包括：主层、亚层编号、次亚层编号、地质时代、地质成因、层底深度、地层厚度、岩土名称、岩土类别、土名代号、平均比贯入阻力、平均锥尖阻力、平均侧壁摩阻力、平均摩阻比、平均孔隙水压力、地基基本承载力、地基极限承载力、桩侧土极限摩阻力等。地层页面中各信息可进行编辑修改。

2.5 计算岩土特征参数

单击“触探成果应用”菜单栏中“模量与承载力”选项，可自动弹出“土体物理力学指标及承载力”页面。

可根据用户指定规范(包含《建筑桩基设计规范》[7]、《铁路桥涵地基和基础设计规范》[8]、《公路桥涵地基及基础设计规范》[9]、《铁路工程地质原位测试规程》[1]、铁三院经验公式[10，11])或用户自定义经验公式，计算土体变形模量、不同压力段土体压缩模量、地基承载力和桩侧土极限摩阻力。

对于已完成地层划分的静力触探勘探点，触探孔列表的勘探孔号前有复选框供用户选择。对于项目中尚未进行地层划分的静力触探勘探点，也在触探孔列表中显示，但勘探点号前无复选框。

用户可根据需求单选或复选需要计算的岩土特征参数，也可自定义各类土性特征参数的计算公式。

2.6 计算单桩极限承载力

单击“触探成果应用”菜单栏中“桩基承载力”选项，可自动弹出“桩基承载力”页面(见图5)。

图5 桩基极限承载力计算界面

根据桩基特征参数及用户所选规范(包含《建筑桩基设计规范》[7]、《铁路桥涵地基和基础设计规范》[8]、《公路桥涵地基及基础设计规范》[9]、《铁路工程地质原位测试规程》[1])或铁三院经验公式[11]，计算相应触探孔位的各桩型单桩极限承载力。

因现行规范有关基于静力触探确定桩基极限承载力均基于双桥静力触探，故触探孔列表中仅显示双桥静力触探勘探点。

用户可根据实际桩型及所选定的规范，自动计算各相应触探孔位的桩基极限承载力，并在计算过程中做如下检验：

(1)检验所选的每个触探孔是否包含孔口高程和深度信息，若未包含则弹出“请完善触探孔口高程和触探孔深度信息!”警告信息。

(2)检验所选的触探孔是否进行了分层并定义了各层土名，若未分层或未确定该土类名称，则弹出“请完善触探孔划分地层及确定土类名称信息!”警告信息。

(3)当桩顶高程≥孔口高程时，若“桩长-(桩顶高程-触探孔口高程)+4倍桩径> 触探孔深”，弹出“触探孔深度不满足该桩基竖向承载力所需勘探深度要求!”警示。否则，桩基侧摩阻计算范围为触探孔口高程至桩底。

(4)当桩顶高程<触探孔口高程时，若“桩长+(触探孔口高程-桩顶高程)+4倍桩径>触探孔深度”，弹出“触探孔深度不满足该桩基竖向承载力所需勘探深度要求!”警示。否则，桩基侧摩阻计算范围为实际桩长。

2.7 静力触探成果文件

(1) 静力触探柱状图

单击“静力触探表”下“柱状图”命令按钮，弹出静力触探柱状图输出页面，可对静力触探柱状图绘图比例、单双页显示、每页输出深度等绘图参数进行设置，可根据用户需要设置显示ps曲线、qc曲线、fs曲线和Rf曲线，并将静力触探柱状图保存到用户指定位置(见图6)。

图6 输出的静力触探柱状图示例

完成各勘探点静力触探成果资料整理工作后，可通过“报告”菜单下的“批量输出静力触探报告”，将各勘探点静力触探柱状图批量输出到用户指定位置。

(2)静力触探数据表

在项目窗口中，可以直接查看各静力触探数据表，以便用户检查、修改与保存。系统可在各勘探点“测试曲线”页面，通过点击“导出数据(Excel)”或“打印成果表”方式生成“.xlsx”或“.pdf”类型的静力触探原始数据表；也可通过“报告”菜单，单击“批量输出静力触探报告”，选择需要输出静力触探原始数据表的勘探孔号，批量生成所选各勘探孔的静力触探原始数据表。

根据用户指定，系统可生成静力触探试验数据统计表、静力触探试验地层统计表，基于静力触探的岩土特征参数统计表，基于静力触探的桩基极限承载力计算表等。

3 结论

基于Qt图形界面框架和Access数据库，采用C++语言开发了适用于现行各主要行业规范的静力触探试验数据管理和计算分析软件。该软件可实现对理正，港达，溧阳等软件单桥、双桥及三桥静力触探数据的自动识别及批量处理，采用可视化图形界面划分地层并自动判定土类名称，根据用户所选各行业规范或自定义经验公式计算土体压缩模量、变形模量、桩侧摩阻力、地基基本承载力等岩土特征参数及单桩极限承载力等；批量生成静力触探柱状图、各类数据表。工程应用实践表明，该软件可提高静力触探内业工作质量和效率，实现静力触探成果资料标准化，具有广阔的工程应用前景。